納米接觸磁隧道結中自旋轉移力矩驅動的高階傳播自旋波

      早期的磁隧道結依靠磁場實現(xiàn)磁化翻轉，這種方式往往功耗較高，隨著工藝尺寸減小, 寫入電流將急劇增大, 難以在納米級磁隧道結中推廣應用。1996年, Slonczewski和Berger從理論上預測了一種被稱為自旋轉移矩（Spin Transfer Torque, STT）的純電學的磁隧道結寫入方式，克服了傳統(tǒng)磁場寫入的缺點，并且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小。2000年前后, 自旋轉移矩在實驗上被用于實現(xiàn)金屬多層膜的磁化翻轉[1]?；诖诵环N新型的微波振蕩器被提出來，即自旋轉移力矩納米振蕩器（STNO），利用自旋極化電流誘導納米磁體磁矩翻轉，從而實現(xiàn)了微波振蕩。

      STNO的典型結構采用一個三明治結構“固定鐵磁層FM/非磁性層NM/自由鐵磁層FM”來實現(xiàn)，因為內部阻尼的作用，為了維持自振蕩，需要10⁶ - 10⁸ A /cm²級的大電流密度，這可以通過在三層膜上使用納米觸點對電流實現(xiàn)空間壓縮來實現(xiàn)，這也是小型化磁振子器件中有效的自旋波注入器。隧穿磁電阻(TMR)比巨磁阻(GMR)高一個或多個數(shù)量級，為了實現(xiàn)的電子自旋波讀出，磁振子器件還必須基于磁隧道結(MTJ)。

圖1：a.普通納米觸點振蕩器結構；b.寬邊帽納米觸點振蕩器結構；c.磁滯回線；d.磁電阻測試：內嵌圖為自由層的鐵磁共振頻率和面內磁場關系。（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

      與頂部金屬層相比，MTJ隧穿勢壘的導電性相對較低，導致普通納米觸點的大橫向電流分流（圖1a）。為了使更多的電流通過MTJ，哥德堡大學物理系的J. Åkerman課題組采用了寬邊帽結構納米觸點，當MTJ覆蓋層從納米觸點向外延伸時，帽狀帽層逐漸變薄，并使用一層1.5Ωm²低阻面積(RA)產品的MgO進一步促進隧穿勢壘(圖1b)。

圖2：不同驅動電流下功率譜密度和磁場關系，a Idc= −5 mA, b Idc =−6 mA, c Idc= −7 mA, d Idc = −8 mA, e Idc = −9 mA, and f Idc =−10 mA.（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

      所得到的器件表現(xiàn)出與納米觸點STNO相關的典型自旋波模式，在不同驅動電流下觀測到兩個二階和三階傳播自旋波模態(tài)（如圖2），這兩種模式的波長估計分別為120和74納米，比150納米觸點小得多。該研究表明這些高階傳播的自旋波將使磁振子器件能夠在*的頻率下工作，并大大增加它們的傳輸速率和自旋波傳播長度。

      值得注意的是，該研究的鐵磁共振測試使用了瑞典NanOsc公司的CryoFMR結合美國Montana公司的超精細多功能無液氦低溫光學恒溫器，可以提供0.7T以上，10K~350K的變溫，以及2~40GHz的高精度鐵磁共振測試（如圖3），用戶可以快速有效的獲取阻尼系數(shù)α，以及有效磁矩 Meff，旋磁比γ，非均勻展寬ΔHo等動態(tài)磁學參數(shù)，也可以表征靜態(tài)磁學性能，如飽和磁化強度Ms等。此外，NanOsc公司的FMR測試系統(tǒng)還可以搭配電磁鐵、PPMS、VersaLab等平臺進行常溫或低溫下的鐵磁共振測試。

圖3：CryoFMR+Montana恒溫器

      NanOsc公司注重用戶的使用體驗，許多用戶有反饋鐵磁共振測試系統(tǒng)只能固定頻率來進行磁場掃描，是否可以增加固定磁場來掃頻率的功能。經過大半年的時間，NanOsc公司完成了設備的升級與測試，兩種模式下的測試結果匹配度非常高（如圖4，如需更多測試結果，請與我們聯(lián)系）。未來正式發(fā)布的新的鐵磁共振測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)固定磁場掃頻率的功能，原來已購買的系統(tǒng)可以進行付費升級。

圖4 ：NanOsc鐵磁共振測試10nm NiFe
上：固定頻率掃磁場模式 下：固定磁場掃頻率模式

參考文獻：
[1] 趙巍勝,王昭昊,彭守仲, 王樂知, 常亮, 張有光, STT-MRAM存儲器的研究進展.中國科學: 物理學 力學 天文學 46, 107306 (2016 )
[2] Houshang, A. , J. Åkerman,et al. Nature Communication (2018) 9:4374